實驗室光譜儀器--火焰原子化器結(jié)構(gòu)分析及原理
原子化器的功能是提供能量,使試樣干燥、蒸發(fā)和原子化,產(chǎn)生被測元素基態(tài)原子。在原子吸收光譜分析中,試樣中被測元素的原子化是整個分析過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實現(xiàn)原子化的方法有火焰原子化器、電熱原子化器、氫化物發(fā)生原子化器、冷蒸氣發(fā)生原子化器、陰極濺射原子化器等。
一、火焰原子化器
火焰原子化法中,常用的是預(yù)混合型原子化器,它是由霧化器、霧化室和燃燒器三部分組成(見圖1)。用火焰使試樣原子化是目前廣泛應(yīng)用的一種方式。它是將液體試樣經(jīng)噴霧器形成霧粒,這些霧粒在霧化室中與氣體(燃?xì)馀c助燃?xì)?均勻混合,除去大液滴后,再進(jìn)入燃燒器形?成火焰。此時,試液在火焰中產(chǎn)生原子蒸氣。
圖1?火焰原子化器結(jié)構(gòu)示意圖
1.霧化器(噴霧器)
霧化器是火焰原子化器中的重要部件,其作用是將試液霧化,使之形成直徑為微米級的氣溶膠(變成細(xì)霧)。霧粒越細(xì)、越多,在火焰中生成的基態(tài)自由原子就越多。目前,應(yīng)用最廣的是氣動同心型噴霧器。噴霧器噴出的霧滴碰到撞擊球上,可產(chǎn)生進(jìn)一步細(xì)化作用。生成的霧滴粒度和試液的吸入率,直接影響測定的靈敏度、精密度和化學(xué)干擾的大小。
目前,噴霧器多采用不銹鋼、聚四氟乙烯、玻璃、Pt-Ir或Pt-Rh等制成,國內(nèi)多以玻璃吹制成,外加鋼套。國外近年推出高效霧化器,雖然有其優(yōu)點,但價格昂貴,其效率不比國產(chǎn)玻璃霧化器優(yōu)越。
2.?霧化室
霧化室的作用主要是去除大霧滴,并使燃?xì)夂椭細(xì)獬浞只旌?以便在燃燒時得到穩(wěn)定的火焰,其中的擾流器可使霧滴變細(xì),同時可以阻擋大的霧滴進(jìn)入火焰。一般的噴霧時霧化效率約為10%。
霧化室一般由整體聚四氟乙烯(塑料王)或聚丙烯制成,也有用金屬例如不銹鋼等料制作,內(nèi)表面用非親水塑料噴涂。其中的撞擊球由玻制成,近年為了防氟化物腐蝕采用塑料和陶瓷制成。紊流器用于過濾大霧滴,增強火焰測定法的穩(wěn)定性。
3.燃燒器
試液的細(xì)霧滴進(jìn)入燃燒器,在火焰中經(jīng)過干燥、熔融、蒸發(fā)和離解等過程后,產(chǎn)生大量的基態(tài)自由原子及少量的激發(fā)態(tài)原子、離子和分子。通常要求燃燒器的原子化程度高、穩(wěn)定、吸收光程長、噪聲小等。燃燒器有單縫和三縫兩種。燃燒器的縫長和縫寬,應(yīng)根據(jù)所用燃料確定。目前,單縫燃燒器應(yīng)用最廣。
單縫燃燒器產(chǎn)生的火焰與光束傳遞平行方向的截面較窄,使部分光束在火焰周圍通過而未能被吸收,從而使測量靈敏度降低,校正曲線變彎。采用三縫燃燒器,由于上述截面較寬,產(chǎn)生的原子蒸氣能將光源發(fā)出的光束完全包圍外側(cè)縫隙還可以起到屏蔽火焰作用,并來自大氣的污染物。因此,三縫燃燒器比單縫燃燒器穩(wěn)定。
燃燒器縫寬一般為0.5mm,長度有50mm(氧化亞氮-乙炔火焰用)和100mm兩種,材質(zhì)有不銹鋼(舊儀器)、鈦鋼或全鈦,個別儀器有滲鋸或用銦鈧合金制成。過去也有人氧氣屏蔽三縫燃燒頭,現(xiàn)在很少見到。燃燒器的高度應(yīng)能上下調(diào)節(jié),以便選取適宜的火焰部位測量。為了改變吸收光程,擴(kuò)大測量濃度范圍,燃燒器可旋轉(zhuǎn)一定角度。
?4.火焰的特性
燃燒器火焰的作用是將待測物質(zhì)分解為基態(tài)自由原子。依燃料氣體與助燃?xì)怏w的比例不同,火焰可分為三類:中性火焰、富燃火焰和貧燃火焰。
中性火焰又稱化學(xué)計量火焰:火焰的燃?xì)馀c助燃?xì)獾谋壤c它們之間的化學(xué)反應(yīng)計量關(guān)系接近。它具有溫度高、干擾小和穩(wěn)定等優(yōu)點,適用于多種元素測定。
富燃火焰:這種火焰中燃?xì)馀c助燃?xì)獾谋壤笥诨瘜W(xué)計量值,因此,燃燒不完全,溫度低,火焰具有還原性,適合于易形成難離解氧化物元素(如Cr)的測定。
貧燃火焰:指燃?xì)馀c助燃?xì)獗壤∮诨瘜W(xué)計量值的火焰。這種火焰的氧化性較強,溫度較低,適合于易分解易電離的元素的測定,如堿金屬及Cu、Ag、Au的測定。
表1列出了一些類型的火焰溫度。
表1?常用火焰的燃燒特性
燃?xì)?助燃?xì)?/p> | 燃助比 | 火焰溫度t/℃ | 燃燒速度 /(cm/s) | 適合用途 |
乙炔-空氣 | 1 :?4 (中性焰) | 2300 | 160 | 約測35種元素,對W、Mo、V等靈敏度低 |
乙炔-空氣 | 小于1 :?4 (貧燃焰) | 2300 | 160 | 適于Cu、Ag、Au及堿金屬,采用有機(jī)溶劑噴霧試樣 |
乙炔-空氣 | 大于1 : 4 (富燃焰) | 稍低于 2300 | 160 | 對Cr、Sr、Mo、V等適用 |
乙炔-氧化亞氮 | (1 : 3)～ (1 :2) | 2955 | 180 | 適于AI、B、Si、W、V、Be、Ti和稀土等難離解元素 |
氫氣-空氣 | (2 : 1)～ (3 :1) | 2050 | 320 | 易回火,但對Cd、Pb、Sn、Zn靈敏度高 |
氫氣-氧化亞氮 | 1 : 2 | 1577 | 適于Cs、Se,對Cd、Pb、Sn、Zn靈敏度高(不常用) | |
煤氣-空氣 | 1840 | 55 | 適于堿金屬、堿土金屬 | |
丙烷-空氣 | (1 : 10)～ (1 :20) | 1925 | 82 | 適于Ag、Au,Bi、Fe、In、Pb、Ti、Cd等,干擾小 |
氫氣-氧氣 | 2700 | 900 | 透射性好,適于共振線在短波區(qū)的元素,如As、Se、Sb、Zn、Pb等(不常用) |
表中燃燒速度是指火焰由著火點向可燃混合氣其他點傳播的速度。它影響火焰的安全操作和燃燒的穩(wěn)定性。要使火焰穩(wěn)定,可燃混合氣體的供氣速度應(yīng)大于燃燒速度。但供氣速度不宜過大,否則,將會使火焰離開燃燒器,變得不穩(wěn)定反之,供氣速度過小,將會引起回火。原子吸收分析中火焰的溫度是影響原子化效果的基本因素,它與化學(xué)火焰的類型和組成有關(guān),其選擇原則就是使得待測元素恰能離解成基態(tài)自由原子。溫度過高將會使激發(fā)態(tài)原子增加,基態(tài)原子數(shù)減少,造成測量誤差偏大。在同一火焰中,火焰溫度與火焰的高度、位置有關(guān),如圖2所示,在第燃燒區(qū)燃燒不充分,溫度未達(dá)到最高;中間區(qū)的高度與氣體流量、燃?xì)馀c助燃?xì)獾谋壤嘘P(guān),是火焰中溫度最高的區(qū)域,也是原子吸收光譜法主要使用的區(qū)域;第二燃燒區(qū)燃燒充分,溫度逐漸下降,已離解的原子有可能重新結(jié)合分子,一般不用于原子吸收光譜分析。?
圖2 空氣乙炔火焰的溫度分布
乙炔-空氣火焰是原子吸收光譜法中最常用的火焰,它的火焰溫度較高(約2300℃),且燃燒穩(wěn)定,燃燒速度不是很大,噪聲小,重現(xiàn)性好可測定40多種元素。此外,乙炔-氧化亞氮也比較常用,它的燃燒溫度比乙炔-空氣高(約2955℃),而燃燒速度并不快,是目前應(yīng)用較廣泛的一種高溫火焰,用它使火焰法可擴(kuò)展測定近70種元素,尤其適用于難以原子化的元素的測定。
試樣溶液在火焰原子化器中經(jīng)過霧化、脫溶劑、蒸發(fā)、解離等一系列的過程而形成原子態(tài)的蒸氣,但實際過程是復(fù)雜的,往往伴隨著被激發(fā)或電離,原子也可能再締合成分子。?
